JPH06273208A

JPH06273208A - 流量センサ

Info

Publication number: JPH06273208A
Application number: JP5064518A
Authority: JP
Inventors: Norihiko Murata; 憲彦村田; Hiroyuki Horiguchi; 浩幸堀口
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1993-03-24
Filing date: 1993-03-24
Publication date: 1994-09-30

Abstract

(57)【要約】【目的】熱伝導性が低く対衝撃性のある流量センサを
提供する。【構成】絶縁性の基板８と、この基板８の一部をエッ
チングして形成された堀９と、この堀９の上空を跨いで
形成された梁１０と、この梁１０上に設けられた発熱体
１２と、この発熱体１２が周囲の流体Ａによって奪われ
る発熱量の変化を測定する発熱体温度測定用薄膜抵抗体
１３と、流体Ａが流れる周囲の温度を測定する流体温度
測定用薄膜抵抗体１６とを備えた感熱式の流量センサに
おいて、流体Ａ中に置かれた梁１０の上流側に位置する
堀９に基板強度を補強するための基板補強手段を設け
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスなどの気体流や液
体流の流体の流速を計測する感熱式の流量センサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来における感熱式の流量センサとして
は、以下に述べるような種々のものが考案されている。
例えば、その第一の従来例として、特開昭５６−１８３
８１号公報に「電熱器」なる名称で開示されているもの
がある。これは、耐熱性及び電気絶縁性の物質からなる
上層部と、この上層部とは異なる電気絶縁性物質からな
る下層部とからなる基板を用い、その下層部の一部を除
去して空洞の堀を形成し、この堀の上空に前記上層部か
らなる橋を形成し、この橋に発熱部を設けてなるもので
ある。

【０００３】第二の従来例として、特開昭５８−７２０
５９号公報に「半導体装置及びその製造方法」なる名称
で、また、特開昭６０−１４２２６８号公報に「流速セ
ンサ」なる名称で開示されているものがある。図７はそ
の一例を示すものであり、Ｓｉ（１００）面よりなる基
板１上には絶縁性薄膜２が形成されており、このような
基板１の表面を異方性エッチングすることにより堀３及
びその堀３の上部に橋（発熱抵抗体ブリッジ）４を形成
し、この発熱抵抗体ブリッジ４上の気体流Ａの流路に対
した中央部分に発熱体（発熱用抵抗体）５を設け、この
発熱用抵抗体５を挾んだ上流及び下流側の発熱抵抗体ブ
リッジ４上に発熱体温度測定用抵抗体６を設け、基板１
の絶縁性薄膜２上に室温測定用抵抗体７を設けてなるも
のであり、これにより、気流体Ａの流れによって上下流
の発熱体温度測定用抵抗体６間に生じた温度差を測定し
て流量を求めている。

【０００４】第三の従来例として、特開昭６１−２７４
２２２号公報に「流量センサ」なる名称で開示されてい
るものがある。これは、流体の流れに対して上流側の端
部に流体温度測定用薄膜抵抗体を設け、下流側の端部に
発熱体及びその発熱体の温度測定用薄膜抵抗体を設け、
発熱体への供給電力から流量を求め、これにより流体と
発熱体との温度差を一定に保つようにしたものである。

【０００５】第四の従来例として、特開昭６２−４３５
２２号公報に「流量センサ」なる名称で、特開昭６２−
４４６２７号公報に「流量センサ」なる名称で開示され
ているものがある。これは、電気絶縁性薄膜を有するＳ
ｉウェハからなる基板上に発熱抵抗体及びその発熱を測
定する測温抵抗体を設け、これら発熱抵抗体及び測温抵
抗体の下部の基板をエッチングすることによりセンサを
作成したものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように従来の
装置においては、発熱体の消費電力を極力少なくした
り、また、感度を上げ微小流量までの測定ができるよう
に発熱体が設けられた橋の温度を効果的に上昇させる必
要がある。このため、発熱体が設けられる橋は堀の上空
に位置した形となっている。この場合、堀の深さは、消
費電力を少なくし、かつ、発熱体の温度を上昇させるた
めに、深ければ深いほどよい。しかしながら、堀をあま
り大きく深くすると、流量センサチップの底部が広範囲
に渡って薄くなる。特に、後述するように流体の流路の
上流側の土手を削り落したタイプのものは、なおさら脆
弱になる。その結果、センサの製造工程において、例え
ば、ダイシングやダイボンデングの際にセンサチップが
割れたり、クラックが生じたりする恐れがあり、量産に
際して歩留りの低下を引き起こす要因ともなり、さらに
は、従来においては堀を作ることによる基板の強度低下
に注意が払われていなかった。

【０００７】また、図７に示すように、流体温度を測定
する室温測定用抵抗体７は堀３の周囲の基板１上に設け
られているため、熱伝導性が高いＳｉの基板１を介し
て、外界からの熱のみならず発熱用抵抗体５の熱をも拾
い易くなるばかりでなく、例え熱絶縁層が存在してもそ
の熱容量は、中空に浮かんだ発熱体温度測定用抵抗体６
の熱容量と比べてもその差は必ずしも無視できるもので
はない。従って、発熱体温度測定用抵抗体６と室温測定
用抵抗体７とをパルス駆動した場合、感度や応答性（熱
の時定数）に違いを生じるという問題がある。従って、
このようなことから、外乱の影響を受けやすい微小流量
域内での流量を計測することは非常に難しい。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、絶縁性の基板と、この基板の一部をエッチングして
形成された堀と、この堀の上空を跨いで形成された梁
と、この梁上に設けられた発熱体と、この発熱体が周囲
の流体によって奪われる発熱量の変化を測定する発熱体
温度測定用薄膜抵抗体と、前記流体が流れる周囲の温度
を測定する流体温度測定用薄膜抵抗体とを備えた感熱式
の流量センサにおいて、前記流体中に置かれた前記梁の
上流側に位置する堀に基板強度を補強するための基板補
強手段を設けた。

【０００９】請求項２記載の発明では、絶縁性の基板
と、この基板の一部をエッチングして形成された堀と、
この堀の上空を跨いで形成された梁と、この梁上に設け
られた発熱体と、この発熱体が周囲の流体によって奪わ
れる発熱量の変化を測定する発熱体温度測定用薄膜抵抗
体と、前記流体が流れる周囲の温度を測定する流体温度
測定用薄膜抵抗体とを備えた感熱式の流量センサにおい
て、前記流体温度測定用薄膜抵抗体を前記堀に設けた基
板補強手段上空に位置する前記梁上に配設した。

【００１０】請求項３記載の発明では、絶縁性の基板
と、この基板の一部をエッチングして形成された堀と、
この堀の上空を跨いで形成された梁と、この梁上に設け
られた発熱体と、この発熱体が周囲の流体によって奪わ
れる発熱量の変化を測定する発熱体温度測定用薄膜抵抗
体と、前記流体が流れる周囲の温度を測定する流体温度
測定用薄膜抵抗体とを備えた感熱式の流量センサにおい
て、前記発熱体温度測定用薄膜抵抗体及び前記流体温度
測定用薄膜抵抗体が形成される前記基板の表面と反対側
の裏面上に異方性エッチングを防止するためのエッチン
グ防止用薄膜を形成した。

【００１１】請求項４記載の発明では、絶縁性の基板
と、この基板の一部をエッチングして形成された堀と、
この堀の上空を跨いで形成された梁と、この梁上に設け
られた発熱体と、この発熱体が周囲の流体によって奪わ
れる発熱量の変化を測定する発熱体温度測定用薄膜抵抗
体と、前記流体が流れる周囲の温度を測定する流体温度
測定用薄膜抵抗体とを備えた感熱式の流量センサにおい
て、前記発熱体と前記発熱体温度測定用薄膜抵抗体とを
同一の梁上に設け、これら発熱体及び発熱体温度測定用
薄膜抵抗体を有する前記梁の上流側に位置する梁上に前
記流体温度測定用薄膜抵抗体を設け、この流体温度測定
用薄膜抵抗体を有する前記梁の上流側に位置する堀をそ
の壁面を除去して形成した。

【００１２】

【作用】請求項１記載の発明においては、堀に基板補強
手段を設けたことにより、従来のセンサ構造をほとんど
変更することなく、センサの温度絶縁性を簡単な方法で
追及しながら基板強度の改善を図ることが可能となる。

【００１３】請求項２記載の発明においては、梁上に測
定用薄膜抵抗体を形成したことにより、強度が大きくか
つ外部からの熱流入の影響が少ないセンサを作成するこ
とが可能となる。

【００１４】請求項３記載の発明においては、薄膜抵抗
体の設けられた表面と反対側の裏面上にエッチング防止
用薄膜を形成したことにより、表面側の異方性エッチン
グを行う際の反対側の面のエッチングを防止し堀の部分
のみをエッチングするため、堀部分以外の強度を損なう
ことなく堀部分のみを十分に深くすることが可能とな
る。

【００１５】請求項４記載の発明においては、壁面の除
去された堀の下流側に流体温度測定用薄膜抵抗体、発熱
体温度測定用薄膜抵抗体を順次設けることにより、流体
は上流側の壁面の除去された堀から流入し、その後、薄
膜抵抗体の設けられた梁の上下両面に接しながら流れる
ため、流体と抵抗体との熱の授受の効率を良くすること
が可能となる。この場合、壁面除去による基板強度の低
下は、流体温度測定用薄膜抵抗体の下方に設けた基板補
強手段により補うことが可能である。

【００１６】

【実施例】本発明の第一の実施例を図１〜図３に基づい
て説明する。図１は、流量センサの全体構成を示したも
のである。基板８は、厚さ５００μｍのＳｉ（１００）
面のウェハを用いている。この絶縁性の基板８にはこれ
を一部エッチングして堀９が形成されている。この堀９
の上部には、梁としての発熱用抵抗体ブリッジ１０と、
基板補強用リム形成手段としての補助ブリッジ１１とが
跨いで設けられている。前記発熱用抵抗体ブリッジ１０
には、発熱体としての発熱用抵抗体１２と、発熱体温度
測定用薄膜抵抗体１３とが配設されている。一方、前記
補助ブリッジ１１は、リム形成用ブリッジ１４と、この
リム形成用ブリッジ１４を保護する支持用ブリッジ１５
とからなっている。また、基板８上の堀９の形成されて
いない領域には、流体温度測定用薄膜抵抗体１６が配設
されている。この場合、流体としての気体流Ａの流入す
る流体温度測定用薄膜抵抗体１６が上流側に位置し、こ
の流体温度測定用薄膜抵抗体１６の下流側に補助ブリッ
ジ１１が設けられ、この補助ブリッジ１１の下流側に発
熱用抵抗体ブリッジ１０が設けられている。

【００１７】ここでは、リム形成用ブリッジ１４の形成
方向が流路に対して平行になっているが、必ずしも平行
でなくても良く、センサ構造に応じて様々な向きにする
ことができる。しかし、その向きによって気流体Ａの流
れが乱されてセンサ感度が低下してはいけない。そこ
で、本実施例では、流れに垂直な向きのリムは低くかつ
幅の細いものとするため、支持用ブリッジ１５の幅は約
５０μｍとした。なお、一段と細かくしてリムを形成し
ないことも可能である。一方、流れに平行な方向に関し
てはできるだけ幅広のリムとするために、２本のリム形
成用ブリッジ１４の幅は約３００μｍに形成した。図２
は、図１のａ−ａ断面を示すものである。基板補強手段
としての補強用リム１７の下面の幅は約３００μｍ、そ
の高さは約２００μｍであり、リム形成用ブリッジ１４
と補強用リム１７の稜線はほとんど接している。

【００１８】この場合、ブリッジの幅を細くして数多く
作ることにより強度を保ち、しかも、補強用リム１７の
高さを低くし気体流Ａの流れを少なくし、さらには整流
効果を持たせることも可能である。例えば、図３に示す
ように、基板８のＳｉ（１００）面に対してエッチング
マスク１８の直下から５４．７°の傾斜｛Ｓｉ（１１
１）面｝で壁面１９がエッチングされて後退していくこ
とにより、深さが深くなりかつ幅が広がる。これによ
り、エッチングマスク１８の大きさに応じて、堀９の底
面に対して５４．７°の壁面１９をもち、ある幅（ｔ₁
〜ｔ₄）、ある高さの補強用リム１７を作ることができ
る。

【００１９】上述したように、堀９に補強用リム１７を
設けたことによって、従来のセンサ構造をほとんど設計
変更することなく、センサの温度絶縁性を簡単な方法で
追及しながら基板強度の改善を図ることができ、これに
より歩留りを向上させ、熱伝導性が低く耐衝撃性のある
流量センサを得ることができる。

【００２０】なお、本実施例では、基板補強手段として
補強用リム１７を設けた場合について述べたが、これに
限るものではなく例えば、発熱用抵抗体１２が設けられ
た発熱用抵抗体ブリッジ１０から上流部のみにおいて、
堀９の深さを浅くするために、構造物を接着するとか或
いは２段階エッチングを行うとかしてもよい。

【００２１】次に、本発明の第二の実施例を図４〜図６
に基づいて説明する。なお、第一の実施例と同一部分に
ついての説明は省略し、その同一部分については同一符
号を用いる。

【００２２】ここでは、流体温度測定用薄膜抵抗体１６
を堀９の上部に位置する梁としての補助ブリッジ１１上
に配置したものである。これにより、熱伝導性の高いＳ
ｉの基板８からの外部の熱の流入を緩和することができ
ると共に、気体流Ａと流体温度測定用薄膜抵抗体１６と
の接触が良くなるため、気体流Ａの測定を一段と精度良
くかつ応答性良く測定することができる。

【００２３】また、その流体温度測定用薄膜抵抗体１６
を有する補助ブリッジ１１の上流側に位置する堀９の壁
面２０を除去して形成した。これにより、気体流Ａは、
上流側の壁面２０の除去された堀９側から流入し、その
後、流体温度測定用薄膜抵抗体１６が設けられた補助ブ
リッジ１１、発熱体温度測定用薄膜抵抗体１３が設けら
れた発熱用抵抗体ブリッジ１０の両方のブリッジの上下
両面に接しながら流れることができるため、気体流Ａと
薄膜抵抗体１３，１６との熱の授受の効率を良くするこ
とができ、微小流量の測定精度を向上させることができ
る。

【００２４】さらに、発熱体温度測定用薄膜抵抗体１３
及び流体温度測定用薄膜抵抗体１６が形成される基板８
の表面と反対の裏面側に図示しないエッチング防止用薄
膜を形成した。この場合、エッチング防止用薄膜として
は、ＳｉＯ₂ やＳｉ₃Ｏ₄などの絶縁膜を用いることがで
きる。これにより、基板８の表面側で異方性エッチング
を行い堀９を形成する際にその反対側の裏面でのエッチ
ングを防止することができるため、基板８の厚みを失わ
ず堀９部分以外の強度を損なうことなく堀９部分のみを
十分に深くすることができ、一段と微小流量を測定する
ことができる流量センサを得ることができる。この場
合、堀９部分の強度は、本発明の補強用リム１７により
補強することができる。

【００２５】ここで、具体例について述べる。基板８の
絶縁体としては厚さ１μｍのタンタルオキサイドのスパ
ッタ膜を用い、薄膜抵抗体としては厚さ１０００ÅのＰ
ｔのスパッタ膜を用いた。また、発熱体温度測定用薄膜
抵抗体１３及び流体温度測定用薄膜抵抗体１６の抵抗値
は、ともに１．５ＫΩ、発熱用抵抗体１２の抵抗は５０
０Ωとする。図５は、その測定回路の一例を示すもので
ある。この場合、Ｒｔが発熱用抵抗体１２、Ｒｈが発熱
体温度測定用薄膜抵抗体１３、Ｒｒが流体温度測定用薄
膜抵抗体１６とする。流体温度と発熱用抵抗体１２との
温度差ΔＴでブリッジ回路のバランスがとられる。これ
により、気体流Ａの流れによってくずれるバランスをフ
ィードバックし、ΔＴを一定にするために発熱用抵抗体
１２に供給するに必要な電圧Ｖから流量が決定される。
また、図６は、ΔＴ＝１００°Ｃのときの電圧Ｖと流量
との関係を示したものである。Ｐは流体温度測定用薄膜
抵抗体１６を補助ブリッジ１１上に設けた場合、Ｑは流
体温度測定用薄膜抵抗体１６を基板８上に設けた場合の
測定結果をそれぞれ示したものである。これにより、流
体温度測定用薄膜抵抗体１６を補助ブリッジ１１上に設
けた方が、低流量域までの測定を行うことができた。

【００２６】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、絶縁性の基板
と、この基板の一部をエッチングして形成された堀と、
この堀の上空を跨いで形成された梁と、この梁上に設け
られた発熱体と、この発熱体が周囲の流体によって奪わ
れる発熱量の変化を測定する発熱体温度測定用薄膜抵抗
体と、前記流体が流れる周囲の温度を測定する流体温度
測定用薄膜抵抗体とを備えた感熱式の流量センサにおい
て、前記流体中に置かれた前記梁の上流側に位置する堀
に基板強度を補強するための基板補強手段を設けたの
で、従来のセンサ構造をほとんど変更することなく、セ
ンサの温度絶縁性を簡単な方法で追及しながら基板強度
を改善することができ、これにより歩留りを向上させる
ことができると共に、熱伝導性が低く耐衝撃性のある流
量センサを得ることができるものである。

【００２７】請求項２記載の発明は、絶縁性の基板と、
この基板の一部をエッチングして形成された堀と、この
堀の上空を跨いで形成された梁と、この梁上に設けられ
た発熱体と、この発熱体が周囲の流体によって奪われる
発熱量の変化を測定する発熱体温度測定用薄膜抵抗体
と、前記流体が流れる周囲の温度を測定する流体温度測
定用薄膜抵抗体とを備えた感熱式の流量センサにおい
て、前記流体温度測定用薄膜抵抗体を前記堀に設けた基
板補強手段上空に位置する前記梁上に配設したので、基
板強度が大きくかつ外部からの熱流入の影響が少ない出
力特性の安定したセンサを作成することができるもので
ある。

【００２８】請求項３記載の発明は、絶縁性の基板と、
この基板の一部をエッチングして形成された堀と、この
堀の上空を跨いで形成された梁と、この梁上に設けられ
た発熱体と、この発熱体が周囲の流体によって奪われる
発熱量の変化を測定する発熱体温度測定用薄膜抵抗体
と、前記流体が流れる周囲の温度を測定する流体温度測
定用薄膜抵抗体とを備えた感熱式の流量センサにおい
て、前記発熱体温度測定用薄膜抵抗体及び前記流体温度
測定用薄膜抵抗体が形成される前記基板の表面と反対側
の裏面上に異方性エッチングを防止するためのエッチン
グ防止用薄膜を形成したので、表面側の異方性エッチン
グを行う際の反対側の面のエッチングを防止し堀の部分
のみをエッチングすることにより、堀部分以外の強度を
損なうことなく堀部分のみを十分に深くすることがで
き、これにより微小流量の測定を行うことができるもの
である。

【００２９】請求項４記載の発明は、絶縁性の基板と、
この基板の一部をエッチングして形成された堀と、この
堀の上空を跨いで形成された梁と、この梁上に設けられ
た発熱体と、この発熱体が周囲の流体によって奪われる
発熱量の変化を測定する発熱体温度測定用薄膜抵抗体
と、前記流体が流れる周囲の温度を測定する流体温度測
定用薄膜抵抗体とを備えた感熱式の流量センサにおい
て、前記発熱体と前記発熱体温度測定用薄膜抵抗体とを
同一の梁上に設け、これら発熱体及び発熱体温度測定用
薄膜抵抗体を有する前記梁の上流側に位置する梁上に前
記流体温度測定用薄膜抵抗体を設け、この流体温度測定
用薄膜抵抗体を有する前記梁の上流側に位置する堀をそ
の壁面を除去して形成したので、流体は上流側の壁面の
除去された堀から流入し、その後、薄膜抵抗体の設けら
れた梁の上下両面に接しながら流れることにより、流体
と抵抗体との熱の授受の効率を良くすることができ、こ
れにより微小流量の測定精度を向上させることができる
ものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例を示す流量センサの平面
図である。

【図２】図１のａ−ａ断面図である。

【図３】基板を異方性エッチングすることにより各種形
状の堀を形成する具体例を示す断面図である。

【図４】本発明の第二の実施例を示す流量センサの平面
図である。

【図５】薄膜抵抗体を含む測定回路の構成を示す回路図
である。

【図６】流量に対する出力電圧Ｖの関係を示す特性図で
ある。

【図７】（ａ）は従来の流量センサを示す平面図、
（ｂ）はそのｂ−ｂ断面図である。

【符号の説明】

８基板９堀１０梁１２発熱体１３発熱体温度測定用薄膜抵抗体１６流体温度測定用薄膜抵抗体１７基板補強手段２０壁面Ａ流体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁性の基板と、この基板の一部をエッ
チングして形成された堀と、この堀の上空を跨いで形成
された梁と、この梁上に設けられた発熱体と、この発熱
体が周囲の流体によって奪われる発熱量の変化を測定す
る発熱体温度測定用薄膜抵抗体と、前記流体が流れる周
囲の温度を測定する流体温度測定用薄膜抵抗体とを備え
た感熱式の流量センサにおいて、前記流体中に置かれた
前記梁の上流側に位置する堀に基板強度を補強するため
の基板補強手段を設けたことを特徴とする流量センサ。
【請求項２】絶縁性の基板と、この基板の一部をエッ
チングして形成された堀と、この堀の上空を跨いで形成
された梁と、この梁上に設けられた発熱体と、この発熱
体が周囲の流体によって奪われる発熱量の変化を測定す
る発熱体温度測定用薄膜抵抗体と、前記流体が流れる周
囲の温度を測定する流体温度測定用薄膜抵抗体とを備え
た感熱式の流量センサにおいて、前記流体温度測定用薄
膜抵抗体を前記堀に設けた基板補強手段上空に位置する
前記梁上に配設したことを特徴とする流量センサ。
【請求項３】絶縁性の基板と、この基板の一部をエッ
チングして形成された堀と、この堀の上空を跨いで形成
された梁と、この梁上に設けられた発熱体と、この発熱
体が周囲の流体によって奪われる発熱量の変化を測定す
る発熱体温度測定用薄膜抵抗体と、前記流体が流れる周
囲の温度を測定する流体温度測定用薄膜抵抗体とを備え
た感熱式の流量センサにおいて、前記発熱体温度測定用
薄膜抵抗体及び前記流体温度測定用薄膜抵抗体が形成さ
れる前記基板の表面と反対側の裏面上に異方性エッチン
グを防止するためのエッチング防止用薄膜を形成したこ
とを特徴とする流量センサ。
【請求項４】絶縁性の基板と、この基板の一部をエッ
チングして形成された堀と、この堀の上空を跨いで形成
された梁と、この梁上に設けられた発熱体と、この発熱
体が周囲の流体によって奪われる発熱量の変化を測定す
る発熱体温度測定用薄膜抵抗体と、前記流体が流れる周
囲の温度を測定する流体温度測定用薄膜抵抗体とを備え
た感熱式の流量センサにおいて、前記発熱体と前記発熱
体温度測定用薄膜抵抗体とを同一の梁上に設け、これら
発熱体及び発熱体温度測定用薄膜抵抗体を有する前記梁
の上流側に位置する梁上に前記流体温度測定用薄膜抵抗
体を設け、この流体温度測定用薄膜抵抗体を有する前記
梁の上流側に位置する堀をその壁面を除去して形成した
ことを特徴とする流量センサ。